2-6 激光器的构成和振荡条件
第二章光的衍射3
I0 1 ，对应于 sin k 0 (k0 ) 位置（k0 1， ） 2， 1 2 b (k0 )2 2 2
相对光强曲线
1
I / I0 占总强度的80%
0.017 0.047
0.047
0.017
-2( / b) -( /b) 0 /b 2( /b ) 各级次最大值的位置及其强度值：
四、单缝衍射花样的特点： 1）衍射花样是一组与缝平行的明、暗相间的直条纹。
2）中央最大值的光强最大，次最大值光强随级数k0的增大减小。
3）条纹角宽度△θ：亮条纹两边到透镜中心所张的角度。它等 于相邻两暗纹对透镜中心的角位置之差。
k 1 k sin k 1 sin k (k 1)
夫朗和费单缝衍射实验装置图
（用半波带法可定性说明衍射的明暗纹）
单缝中包含一个半波带：
（对于P0点，单缝只有一个半波带，故为明纹。）
单缝中包含两个半波带：
（对于P1点，单缝有两个半波带，故为暗纹。）
单缝中包含三个半波带：
（对于P2点，单缝有三个半波带，故为明纹。）
二、强度的计算：（计算Ｐ点的光强）
图解法求超越方程： u tgu 得
0.0472I 0，u10 1.43，对应于sin 10 1.43 b 位置 0.0165I ，u 2.46，对应于sin 2.46 位置 0 20 20 I b 0.0083I 0，u30 3.47，对应于sin 30 3.47 位置 b
衍射屏 L 观察屏
1
中央亮斑 (爱里斑)
圆孔孔径为D
f
1 sin 1 0.610
6激光共聚焦显微镜
激光共聚焦显微镜数量：一技术参数要求：1 激光器部分：1.1 激光光源：所有激光器必须使用长寿命固体激光器。
1.1.1红光固体激光：640nm或635nm。
1.1.2绿光泵浦固体激光：561nm或555nm。
1.1.3蓝光固体激光：488nm或473nm。
1.1.4近紫外固体激光：405nm 或408nm或410nm。
1.2 所有激光器所有谱线均必须由AOTF控制，为保证荧光定量测量，要求激光均设有光学反馈恒定输出光强度功能。
2 共焦扫描部分：2.1 激光扫描组件：激光扫描及成像组件一体化设计，保证最小的荧光损失。
2.2 通道数：两个以上独立的荧光通道；一个透射光专用通道。
2.3 检测器数量：2个以上大型荧光专用光电倍增器PMT；1个透射光专用光电倍增器PMT。
2.4 发射光探测方式：能够进行光谱扫描，用于测定标记荧光的光谱分布。
2.5 光谱型通道具备：光谱分辨力：≤2nm；光谱带宽调节精度：≤1nm。
2.6 光谱扫描范围：400-800nm。
2.7 光谱分光方式：光栅分光或棱镜分光。
2.8 针孔规格：全自动调节型，针孔的大小和调节范围：≥50-300微米。
2.9 扫描系统：独立式双镜扫描镜，线扫描速度（双向）：≥2800线/sec。
2.10扫描分辨率：≥扫描分辨率4096×4096像数点。
2.11 变倍扫描：最大倍数≥36×。
2.12 旋转扫描：0~360°任意角度扫描，1°增量。
2.13扫描模式：点扫描，矩形扫描，旋转扫描，任意线/面扫描，任意图形区域扫描，Clip扫描，Zoom In 扫描，任意角度扫描，及X，Y，Z，T，波长任意结合或同时组合。
2.14 透射光通道检测方法：微分干涉法检验。
2.15 有厚标本Z轴亮度校对系统：可以自动执行图像线性校对和非线性校对。
3全自动倒置显微镜系统3.1 电控部件：电动控制Z轴、物镜转盘、滤色镜转盘、切转观察方式、光源控制。
第五章激光的振荡特性
一、阈值反转集居数密度
由速率方程中光子数密度随时间变化的方程：
ddN ltn2ff1 2n121 n,n0NlN Rl l
考虑谐振腔内第 l 个模式的光子数的变化速率 d NlVR
dt
上式化简为：dd N lt n2ff1 2n1 2n 1,n0clN L lN R l l
自激振荡条件： dN l 0 dt
脉冲激光器
在泵浦时间内,各能级粒 子数及腔内光子数密度 可以达到稳定状态。
有：dd n t0; dlN d t0 速率方程 代数方程
泵浦持续时间短, 各能级粒 子数及腔内光子数密度处 于剧烈的变化之中。非稳 定工作状态。
需数值求解或用小信号微 扰或其他近似方法处理。
阈值条件
激光器产生激光的前提条件是：谐振腔内工作 物质（原子系统）的某对能级处于集居数反转
第五章 激光的振荡特性
《激光原理与器件》
本章主要内容
❖ 1、激光器的振荡阈值 ❖ 2、激光器的振荡模式 ❖ 3、输出功率与能量 ❖ 4、弛豫振荡 ❖ 5、单模激光器的线宽极限 ❖ 6、激光器的频率牵引
本章的教学目的与要求
教学目的： ❖ 掌握由速率方程出发导出激光器自激振荡的阈值条件、阈
值增益系数的方法。 ❖ 熟悉连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率，短脉冲激光器
1、四能 级系统
w03 A30 S3
0
E3 泵浦上能级 S32(热驰豫)
A21 S21
w21
E2 激光上能级 (亚稳态) w12
E1 激光下能级
(1) 特点：S10大，则 n1 0
n2t nt 21n,n0l
S10 E0(基态)
泵浦下能级
nn2
激光原理复习知识点
一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数p v p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。
光通信原理与系统光通信器件
4.1.3 半导体激光器的机理 三要素 工作介质：二元化合物（GaAs）、三元化合物
（GaAlAs）和四元化合物（GaInAsP）等。
谐振腔：有解理面组成（F-P腔）；
泵浦源：电流激励、电子束激励、光激励等。 多为电流激励。
光学谐振腔
镀有反射镜面的光学谐振腔只有
准直镜
包装外壳 光电管
光纤
非对称准直透镜 热敏电阻
制冷器 密封窗口
各种结构的半导体激光器
同质结半导体激光器 异质结半导体激光器 量子阱激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)
1、同质结构LD
同质结构只有一个简单PN结，且 P 区和 N 区都是 同一物质的半导体激光器。 解 理 面
反射波相互干涉
波。
M2 a反
射 镜
b R2
在谐振腔里建立稳定振荡的条件
在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的 晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把 光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。
当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体 损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向 和后向光波发生相干时（相干条件），就保 持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波， 然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄 的相干光束。
LD横模：决定光场的空间特性
S
W 近场 图案
10o
远
场
光 斑
30 o
横模光场：
纵模：
损耗
增益
纵模
增益 g ( ) g th
频率 ( )
发射 主模
增益 法布里 - 珀罗 LD
g
通常发射多个纵模的光
0
频率
半导体激光器的增益频谱 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增 益峰的纵模变成主模。
激光原理与技术 第六章、激光器的模式选择和
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数 g =（1-L/R） 其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数 N=a2/L 其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
光阑法选横模
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳 数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。 适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
色散腔粗选波长
• 当激光工作物质中有多个能级间可以发 生激光跃迁，从而可以产生多波长激光 辐射的情况下
• 或者工作物质有相当宽的增益线宽 • 如在应用中，需要选出对应某一波长
附近的一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间隔
增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗
F-P标准具选模
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
1. Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
y’
V 检偏器
纵向电光调制原理
在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折 射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（b）所示。当沿z轴 方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x＇、y＇方向分解 为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则 沿x＇方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y＇ 方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶 体（长度为L）后，将产生位相差Δψ，则有：
激光原理习题-问答精选全文完整版
10、什么是频率牵引？
12、高阶高斯光束有哪些？
13、什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性?
14、如何计算一般稳定球面腔的主要参量？
15、什么是腔的菲涅耳数？它与腔的损耗有什么关系？
16、高斯光束的表征方法有哪些？什么是q参数？
17、高斯光束q参数的变换规律是什么？
18、什么是高斯光束的自再现变换？
19、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔有什么关系物理基础是什么？
9.描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。
10、Einstein系数有哪些？他们之间的关系是什么？
11、什么是热平衡时能级粒子数的分布？
12、产生激光的必要条件是什么？
13、什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？
14、如何定义激光增益？什么是小信号增益？什么是增益饱和？（可结合第三章内容）
7.分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之间的跃迁过程，并写出速率方程。
8.说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理，并写出激光增益的表达式。
9.饱和光强有什么含义？怎么定义的？
10、什么是小信号增益、大信号增益？
11、在强光入射下，均匀加宽和非均匀加宽工作物质中，弱光的增益系数如何变化？
12、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明原理。
15、什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？
16、如何理解激光的空间相干性与方向性？如何理解激光的时间相干性？如何理解激
光的相干光强？
第二章
开放式光腔与高斯光束
1.什么是谐振腔的谐振条件？
2.如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目?
3.在激光谐振腔中有哪些损耗因素？
激光原理教程五-激光振荡特性
系统科学的心得体会范文在我所学习的科学领域中，系统科学一直被认为是一种综合性的科学，它涉及了多个领域的知识和思维模式。
在我的学习和实践过程中，我深刻感受到了系统科学的重要性和独特性。
以下是我的一些体会和心得。
首先，系统思维是系统科学的核心。
系统思维可以被理解为一种思考问题的方法，它的主要特点是将事物看做一个整体，并尝试了解它们之间的相互作用和联系，而不是只看待它们的个别特征。
这种思维方式对解决同我们日常生活和工作中所面对的复杂问题非常重要。
例如，在经济管理学中，分析企业的运营绩效无法单独依靠营收或利润。
相反，要将其看做一个整体，考虑如何整合和优化运营的各个方面，以获取最佳的结果。
因此，系统思维可以帮助我们发现问题的本质，避免因片面的认知而导致的错误判断。
其次，系统科学强调的另一个方面是模型建立和数据分析。
在现代科学中，数据分析和建立相应的模型是至关重要的。
它们可以帮助我们更好地理解系统运作的原理和规律，从而指导我们采取行动。
例如，在应用数学中，我们会利用统计学方法和数据模型来研究一些自然现象，如天气和气候变化。
另外，在金融和投资领域，我们也经常需要使用模型来识别和评估各种风险，从而作出合理的决策。
所以，我们必须掌握数据分析和模型构建的相关技能，以便更好地应对复杂的现实问题。
最后，系统科学的另一个重要方面是决策与管理。
我们经常需要在固定的资源和信息条件下做出合理的决策。
通过系统科学，我们可以了解企业、政府及其他组织和机构的规划以及决策过程，并学习如何运用各种分析工具和技术来支持管理决策。
例如，在卫生学中，我们可以利用系统分析和模型确定如何针对公共健康问题投资资源和制定政策。
同时，我们也可以使用系统决策分析方法来帮助企业做出合理的投资决策，从而让企业更有效率地运作。
总的来说，系统科学的核心是系统思维。
其它方面如数据分析、建模和管理都是为了使系统思维更加成熟和有效。
在多年的学习过程中，我意识到，系统科学是一种十分综合和跨学科性的学科，它涵盖编程、工程、统计学、经济学等多个领域的知识。
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2.6 激光器的构成和振荡条件
全反射镜
部分反射镜
谐振腔的作用：提供光反馈和模式选择
2.6 激光器的构成和振荡条件
泵浦源
激光
部分反射镜ຫໍສະໝຸດ 全反射镜泵浦源工作物质
谐振腔
光学谐振腔是决定激光器单色性、方向性、相干性 等输出特性的最关键因素
2.6 激光器的构成和振荡条件
g 0l gl = = Im 1+ Is
小 信 号 单 程 增 益 因 子
Im (g − ) l
0
g 0l
• 激光振荡条件的物理意义是：要实现强度不为零的激光振荡，小 信号时，光在谐振腔内传播获得的增益应该大于损耗。否则，自 发辐射光不可能被不断的放大，形成强相干光。 • 激光振荡条件的存在，给泵浦强度设置了一个门槛, 对应的泵浦 强度称激光振荡阈值 • 按照泵浦方式的不同，阈值可以用不同的量来度量，如阈值泵浦 功率、阈值泵浦电流等 • 阈值特性是激光器的重要特性之一，阈值的大小反映了实现激光 振荡的难以程度。激光振荡条件通常也成为阈值条件。
单 程 增 益 因 子 平 均 单 程 损 耗 因 子
2.6 激光器的构成和振荡条件
实现激光振荡的条件：小信号单程增益因子大于平均 单程损耗因子 ( g − ) l ( g − ) l
I m = I me
R2 e
R1
1 1 gl = l + ln = 2 R1 R2
单 程 增 益 因 子 平 均 单 程 损 耗 因 子
Im
激光
r2
r1
2.6 激光器的构成和振荡条件
I m = I me
( g − ) l
R2 e
( g − ) l
R1
2.6 激光器的构成和振荡条件
I m = I me
( g − ) l
R2 e
( g − ) l
R1
1 1 gl = l + ln = 2 R1 R2